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Die Erfindung betrifft ein Spaltrohr für eine elektrische rotierende Maschine, einen Elektromotor oder eine Flüssigkeitspumpe, sowie ein Herstellungsverfahren dazu.
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Die Steigerung der Leistungsdichte von E-Motoren bekommt ein immer höheres Gewicht bei der Entwicklung von E-Motoren. Dimensionierend für die elektrische Leistungsabgabe eines E-Motors ist die erzeugte Abwärme der elektrisch leitenden Bauteile und die einhergehenden Nachteile. Ein Nachteil ist z.B. das Versagen der polymeren Isolation der Wickelspulen ab einer bestimmten Betriebstemperatur. Die maximale Betriebstemperatur in der Stator-Wicklung ist dimensionierend für die maximale elektrische Belastbarkeit einer E-Maschine. Bei der Steigerung der Leistungsdichte von E-Motoren ist der Trend von der Luftkühlung übergehend zur Flüssigkeitskühlung klar zu erkennen. Hier zeigen Mantelkühlungen des Stators bereits gute Kühlergebnisse. Eine noch bessere Kühlung der kritischen Statorwicklungen ist allerdings mit einer Spaltrohr-Konstruktion zu erreichen, bei der auf der Spulen-Innenseite eine Kühlflüssigkeit zirkuliert. Um Reibungsverluste des Rotors in der Flüssigkeit zu vermeiden, ist es unabdingbar, ein sog. Spaltrohr im Luftspalt zu platzieren, welches die Flüssigkeit vom Rotorbereich trennt. Der Abdichtbereich des Spaltrohrs im Luftspalt umfasst eine den Rotorbereich umlaufende Nut, in der die so genannten 0-Ringe, zur Lagerung und zur Abdichtung des Spaltrohres, eingelegt sind.
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Eine E-Maschine mit größerer Leistungsdichte zeigt im mobilen Einsatzbereich offensichtliche Vorteile. Die kompaktere Bauform ermöglicht leichtere Einbaulagen und die höhere Leistungsdichte verfolgt auch indirekt den Leichtbaugedanken, da eine kleinere E-Maschine für die erforderliche Leistung eingesetzt werden kann. Jedoch zeigen sich auch Vorteile in stationären Anwendungen, wie z.B. in Windrädern. Hier kann durch die geringere Generatormasse die gesamte Turmkonstruktion weniger massiv ausgeführt werden. Auch kann die thermische Lebensdauer der eingesetzten Statorwicklungen besser abgeschätzt und verlängert werden durch die bessere Entwärmung.
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Die an ein Spaltrohr gestellten konstruktiven Anforderungen sind:
- a.) Eine möglichst geringe Dicke: Je dicker das Spaltrohr ist, desto größer werden die magnetischen Verluste einer E-Maschine. Die steigenden magnetischen Verluste verringern die Effizienz. Es wird eine Fertigungstechnologie bevorzugt, bei welcher dünnwandige Rohre hergestellt werden können.
- b.) Ein möglichst hohe Formstabilität unter Außendruck:
- Durch die zirkulierende Kühlflüssigkeit wirkt eine Außendrucklast auf dem Spaltrohr. Die Drucklast verformt das Spaltrohr. Die ungleichmäßige Druckverteilung ist durch den hydrostatischen Flüssigkeitsdruck begründet, der sich abhängig von der Oberflächenentfernung verändert. Die Verformung des Rohrs wird in der Luftspaltbreite berücksichtigt und erhöht damit die magnetischen Verluste. Der maximale Systemdruck setzt sich dabei aus variablen Komponenten, wie Beschleunigung, Durchstöße..., und konstanten Komponenten, wie Gravitationsbelastung durch die Flüssigkeitssäule, zusammen.
- c.) Eine möglichst hohe Beulstabilität: Die Anforderung einer hohen Steifigkeit gegen Außendruck deckt sich mit Punkt b). Für die Auslegung des Spaltrohrs ist jedoch entscheidend, dass der Außendruck nicht zu einem Beulen des Rohrs unter Überlast führt. Der Beulpunkt des Rohres wird durch steifere Materialien und größere Wanddicken zu höheren Drucken verschoben.
- d.) Elektrische Leitfähigkeit: Da das Spaltrohr im Luftspalt wechselnden Magnetfeldern ausgesetzt ist, soll die elektrische Leitfähigkeit des Rohres so niedrig wie möglich sein. Die Induktion von Wirbelströmen erwärmen das Rohr und verringern die elektrische Effizienz des Motors
- e) Der größere Druck auf der Rohrunterseite, im Vergleich zur Rohroberseite, sorgt für ein Aufschwimmen des Rohres in der weichen Elastomerlagerung, zumeist als klassische O-Ring-Lagerung ausgeführt. Die radiale Position des Spaltrohrs im E-Motor verändert sich dadurch, ungünstig bezüglich der exzentrischen Luftspaltgröße des Spaltrohrs
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Aus der
DE 20 2010 018 078 U1 als nächstliegender Stand der Technik ist eine elektrische Maschine mit Spaltrohr bekannt, bei dem das Spaltrohr faserverstärkt und im Wesentlichen zylinderförmig ist.
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Aus der
GB 1 077 485 A ist eine elektrische Maschine mit Spaltrohr bekannt, bei der das Spaltrohr auf seiner nahezu gesamten Außenoberfläche mit Rippen oder Vorsprüngen versehen ist, um die Steifigkeit des Spaltrohrs zu erhöhen.
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Die beschriebenen Anforderungen an ein Spaltrohr führen üblicherweise zu einer Ausführung des Spaltrohres in Faserkunststoffverbundbauweise. Hierbei bietet sich besonders das Wickelverfahren - z.B. Filament-Winding - und/oder die Prepreg-Autoclav-Technologie an.
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Besonders vielversprechend sind hier die aus der
DE 10 2020 205 287 A1 bekannten ultra-hochmodulige Carbonfasern, welche eine extrem hohe Steifigkeit bieten. Somit können die Luftspaltdicken, durch die unter b.) und c.) erläuterten Gründe reduziert werden. Nachteilig sind dabei allerdings die hohen Materialkosten der verwendeten Fasern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Spaltrohr für eine elektrische rotierende Maschine oder Elektromotor oder Flüssigkeitspumpe zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und trotzdem wirtschaftlich und massenfertigungstauglich, also automatisierbar, herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
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Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Spaltrohr für eine elektrische rotierende Maschine, wobei durch Messdaten und/oder Verformungssimulation belastete Bereiche des Spaltrohrs identifiziert und deren im Betrieb zu erwartende Verformung gegenüber dem symmetrisch geformten Spaltrohr vorausberechenbar ist und deshalb zumindest ein asymmetrisches Designelement am Spaltrohr und/oder an dessen Lagersitz vorgesehen ist.
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Weil eine elektrische rotierende Maschine symmetrisch aufgebaut ist, ist es die Regel, dass alle Teile des Spaltrohrs, insbesondere dessen Aufbau, Form und/oder Lagersitz symmetrisch sind. Es hat sich aber gezeigt, dass die Belastungen, denen das Spaltrohr und sein Lagersitz im Betrieb ausgesetzt sind, nicht nur symmetrisch, sondern beispielsweise über Gravitation und/oder den Druck der Kühlflüssigkeit auch asymmetrisch wirken. Deshalb wird bei der Konstruktion und Herstellung eines Spaltrohrs und dessen Lagersitz in der elektrischen rotierenden Maschine eine gewisse Luftspaltgröße des Spaltrohrs miteinbezogen, die zu erwartende Verformungen während des Betriebs beim vorgesehenen Raumbedarf des Spaltrohrs miteinbezieht.
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In dem erfindungsgemäß vorgesehenen asymmetrischen Designelement des Spaltrohrs wird die zu erwartende Verformung der besonders belasteten Bereiche des Spaltrohrs als Negativform gebildet und/oder dort bereichsweise eine zusätzliche Faserverstärkung vorgesehen und/oder der Lagersitz respektive die Lage der O-Ringe der zu erwartenden Verformung angepasst.
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So kann die in der Auslegung der E-Maschine zu berücksichtigende Luftspaltgröße des Spaltrohrs zwischen Rotor und Stator, welche aus der Verformung des Spaltrohrs rührt, verringert werden.
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Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohrs, folgende Verfahrensschritte umfassend:
- a) Verformungssimulation und/oder Vermessung der auf die Formstabilität des Spaltrohrs zukommenden Betriebsbelastungen durch hydrostatischen Druck, durch Vibration und/oder durch die Gegenkraft der abdichtenden O-Ringe,
- b) Erzeugen und Speichern entsprechender Daten hinsichtlich zu erwartender besonders belasteter Bereiche des Spaltrohrs,
- c) Auf der Grundlage dieser Daten Durchführung einer Berechnung zur Bestimmung der Lage der besonders belasteten Bereiche des Spaltrohrs,
- d) Erzeugen einer virtuellen, gegebenenfalls digitalen Darstellung eines hinsichtlich der besonders belasteten Bereiche optimierten Spaltrohrs mit zumindest einem asymmetrischen Designelement, das entweder durch Verdichtung und/oder Aufstockung der Faserverstärkung, durch Komplexität der Form und/oder Oberflächenstruktur, und/oder durch Veränderung des herkömmlichen Lagersitzes dargestellt wird,
- e) Formung und Herstellung eines Spaltrohrs und/oder Einbau des Spaltrohrs auf dem abdichtenden O-Ring mit zumindest einem asymmetrischen Designelement nach den Vorgaben der gemäß d) erzeugten virtuellen und gegebenenfalls digitalen Darstellung.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass der Einsatz zumindest eines asymmetrischen Designelements bei der Herstellung eines verbesserten Spaltrohrs einer elektrischen rotierenden Maschine vorteilhaft ist, weil dadurch die planerische Luftspaltgröße des Spaltrohrs reduziert werden kann.
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Insbesondere wird bei der Einführung zumindest eines asymmetrischen Designelements im Spaltrohr berücksichtigt, dass folgende Belastungen auf die Formstabilität eines Spaltrohrs im Betrieb zukommen:
- a) durch erhöhten hydrostatischen Druck auf der Unterseite des Rohres wird dessen runde Form ins Ovale verzogen,
- b) durch Auftriebskraft, also insbesondere auch den erhöhten hydrostatischen Druck auf der Unterseite des Rohres, wird dessen axialsymmetrische Lagerung verzogen,
- c) durch die robuste Formstabilität der O-Ringe der Abdichtung des Spaltrohres wird dieses ggf. an der Stelle der Abdichtung aufgebogen,
- d) durch Lagerung der O-Ringe, die nicht axialsymmetrisch und zentrisch um die Rotorachse, sondern verschoben ist, kann ein Aufschwimmen des Spaltrohrs im Luftspalt ausgeglichen werden, und
- e) Durch Unterschiede in der Nuthöhe der O-Ring Verpressnut kann die Druckverformung und/oder das Aufschwimmen des Spaltrohrs im Luftspalt ausgeglichen werden.
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Diese Belastungen auf die Formstabilität eines Spaltrohrs lassen sich für jede Art der Nutzung eines Spaltrohrs ziemlich genau durch Verformungssimulation vorhersagen und/oder durch Messdaten erfassen. Dadurch erhält man eine Vorstellung von den mechanischen Schäden durch Verbeulen, die im Betrieb das Spaltrohr an besonders belasteten Bereichen treffen. Diese Beulen oder Verbiegungen können dann in dem verbesserten Spaltrohr als Negativform realisiert werden, so dass im Betrieb ein größerer Spielraum bis zum Ausfall wegen Verbeulens besteht.
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Als „asymmetrisches Designelement“ wird vorliegend beispielsweise ein Bereich des Spaltrohrs bezeichnet, der gegenüber dem symmetrischen Spaltrohr eine Verformung aufweist, die praktisch eine Negativform einer im Betrieb zu erwartenden Beule im Spaltrohr entspricht.
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Ein weiteres Beispiel für ein asymmetrisches Designelement ist ein Bereich mit gegenüber einer gleichmäßigen Faserverstärkung im Spaltrohr abweichender Faserverstärkung, wobei die Abweichung im Material, in der Lage der Fasern, in der Faserkombination, der Faserstärke und/oder der Dichte an Fasern im Verbundmaterial oder als eine beliebige Kombination der oben genannten Abweichungen realisiert sein kann.
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Ein weiteres Beispiel für ein asymmetrisches Designelement ist ein exzentrischer Lagersitz des Spaltrohrs, der durch eine asymmetrische Lage, Dicke und/oder Form der abdichtenden O-Ringe realisiert sein kann.
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Ein weiteres Beispiel für ein asymmetrisches Designelement ist eine zumindest in Teilbereichen nicht axialsymmetrisch zur Rotorachse angeordnete O-Ring-Abdichtung.
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Bei einem Spaltrohr nach der Erfindung kann ein oder können mehrere solcher Beispiele realisiert sein und/oder es kann einen oder mehrere Bereiche aufweisen, in dem diese Beispiele für asymmetrische Designelemente realisiert sind.
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Zur Herstellung wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass beispielsweise ein Formkern zur automatisierten Herstellung - z.B. durch ein Wickelverfahren oder durch eine Prepreg-Autoklav-Technologie - von Spaltrohren in negativer Verformungsrichtung manipuliert wird, so dass er eine Oberfläche bekommt, auf der ein Spaltrohr herstellbar ist, das eine Vorverformung aufweist, die im Betrieb unter dem Außendruck des Kühlmittels wieder zurückgedrückt wird. Das Spaltrohr erhält dann beispielsweise durch die Belastungen während des Betriebs eine runde Form. Zudem kann durch Erzeugen einer virtuellen Darstellung eines Spaltrohres mit entsprechend identifizierten Bereichen, die eine höhere Belastung aushalten müssen, der Einsatz von teuren Verstärkungsfasern minimiert, z.B. nur auf diese Bereiche beschränkt sein, ohne an Qualität insgesamt einzubüßen.
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Als „Prepreg“ Material wird dabei ein Verbundmaterial bezeichnet, das aus vorimprägnierten Fasern und einer teilweise ausgehärteten Polymermatrix, wie Epoxid- und/oder Phenolharz, oder sogar einem thermoplastischen Gemisch mit flüssigen Kautschuken und/oder Harzen. Die Fasern können mit Vorzugsrichtung, in verschiedener Länge, gebündelt, geflochten, verwoben als Kombination mehrerer Fasermaterialien oder als Einzelfasern vorliegen. Beispielsweise haben im Prepreg die Fasern die Form eines Gewebes und die Matrix wird verwendet, um sie während der Herstellung miteinander und mit anderen Komponenten zu verbinden. Die duroplastische Matrix ist nur teilweise ausgehärtet, um eine einfache Handhabung zu ermöglichen. Ein Prepreg liegt grundsätzlich in B-Stage vor, das heißt die duroplastische Matrix ist nur teilweise ausgehärtet, nicht vernetzt. Zum Aushärten benötigen die Prepregs eine Autoklavprozessierung. Durch den Einsatz von Prepregs können anisotrope mechanische Eigenschaften entlang der Faser erreicht werden, während die Polymermatrix Fülleigenschaften bietet und die Fasern in einem einzigen System hält.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für die jeweilige Nutzung des Spaltrohrs eine zu erwartende Verformung und/oder ein zu erwartendes Aufbiegen oder Eindrücken vorausberechnet. Diese Parameter werden bei der Herstellung des Spaltrohr genutzt, um das Spaltrohr am Ort des zu erwartenden Aufbiegens oder Eindrückens durch in Qualität und/oder Ausrichtung angepasste Faserverstärkung und/oder Negativ-Verformung gezielt gegenüber dem herkömmlichen Spaltrohr so zu ergänzen, dass die Verformung während des Betriebs an der ergänzten Stelle nicht oder nur vermindert oder nur nach verlängerter Betriebsdauer auftritt.
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Als „Luftspaltgröße des Spaltrohrs“ wird vorliegend die radiale Ausdehnung des Luftspalts bezeichnet, in den das danach benannte Spaltrohr eingesetzt wird. Hierbei wird die Verformung des Spaltrohrs mitberücksichtigt. Diese zu berücksichtigende Luftspaltgröße des Spaltrohrs wird durch den - durch die vorliegende Erfindung erstmals vorgeschlagenen - Einbau asymmetrischer Designteile reduziert.
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„Exzentrisch“ bezeichnet eine außermittige Lagerung.
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Der Lagersitz ist die Positionierung des Spaltrohrs auf der Abdichtung des O-Rings.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt kein rundes radialsymmetrisches Spaltrohr vor, sondern beispielsweise ein oval oder teilweise oval geformtes Spaltrohr.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Spaltrohr insbesondere in den Randbereichen am Rohrende einen oder mehrere Bereiche auf, die mit aufgestockter Faserverstärkung versehen sind, also z.B. mehr und/oder andere Fasern zur Verstärkung aufweisen.
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Eine geänderte respektive aufgestockte Faserverstärkung liegt beispielsweise auch vor, wenn ein oder mehrere Bereiche mit einer Faserverstärkung, die eine andere Vorzugsrichtung, eine andere Faserart, ein anderes Fasermaterial, eine andere Faserverlegung, eine andere Kombination aus Fasern etc. hat, vorliegen.
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Beispielsweise können Bereiche des Spaltrohrs mit einfacher Faserverstärkung, Bereiche mit gebündelten und/oder geflochtenen Fasern, Bereiche mit Fasergelegen zur Faserverstärkung vorliegen.
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So können Fasern in Form einer einfachen Faserverstärkung als Faserzopf und/oder als Rovings realisiert sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im Spaltrohr Faserverstärkung mit verschiedenen Vorzugsrichtungen, je nach Anforderungsprofil der besonders belasteten Bereiche, vorliegen.
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So können beispielsweise Glasfasern allein oder in Kombination mit anderen Fasern zur Verstärkung genutzt werden. Diese können in eine Vorzugsrichtung oder als Fasergelege in der Fläche eingesetzt werden. Es können auch Faserverstärkungen mit einem Geflecht aus verschiedenen Fasern eingesetzt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat das Spaltrohr eine komplexe Form. Das kann so realisiert sein, dass ein oder mehrere Bereiche vorliegen, die verdickt, gekräuselt, ausgebeult und/oder mäandernd ein- und ausgebeult sind. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann dieser Bereich oder können diese Bereiche mit einem oder mehreren Bereichen abwechseln, die rund und zylinderförmig sind.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat das Spaltrohr eine komplexe Oberflächenstruktur. Dabei liegt beispielsweise ein Bereich vor, der ausgebeult ist, so dass im Betrieb unter dem hydrostatischen Druck, der herkömmlich zu einem ungleichförmigen Eindrücken des Spaltrohrs führt, hier zum Wieder-Abrunden des Spaltrohrs führt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das Spaltrohr zumindest teilweise in einer nicht axialsymmetrischen Anordnung zur Rotorachse vor, wodurch sich eine zumindest teilweise unrunde bzw. exzentrische O-Ring Abdichtung zum Rotorbereich ergibt.
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Zur Herstellung wird gemäß der Erfindung beispielsweise vorgeschlagen, dass eine geometrische Anpassung des Formkerns erzeugt wird, auf welchem z.B. ein Faserkunststoffverbund-Spaltrohr gefertigt wird.
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Über diesen Formkern wird dann ein Spaltrohr hergestellt, das eine komplexe Form hat, die aber im Betrieb durch eine ungleichmäßige Druckverteilung während des Betriebs infolge einer „Rückbildung zur nicht-komplexen einfachen zylindrischen Form“ in ein herkömmliches rundes Spaltrohr umgeformt wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt das Spaltrohr in einer Negativ-Form der zu erwartenden Verformungen in Form eines Rohrs mit komplexer Form und/oder Oberfläche vor.
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Durch die Erfindung wird erstmals ein Spaltrohr für eine elektrische rotierende Maschine geschaffen, das eine verbesserte Luftspaltgröße des Spaltrohrs aufweist und dadurch geringere elektrische Verluste im E-Motor zur Folge hat.
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Durch die Erfindung wird darüber hinaus ein Spaltrohr für eine elektrische rotierende Maschine geschaffen, das eine verringerte Luftspaltgröße des Spaltrohrs im Betrieb aufweist, weil durch Verformungssimulation und/oder Vorausberechnung im Betrieb besonders belastete Bereiche bei der Herstellung berücksichtigt werden, so dass die Belastungen im Betrieb auf dahingehend vorbereitete und/oder verstärkte Bereiche des Spaltrohrs treffen.